UNIVERZA V LJUBLJANI
NARAVOSLOVNOTEHNIŠKA FAKULTETA
MAGISTRSKO DELO
TINKARA SMOLAR
LJUBLJANA 2021
UNIVERZA V LJUBLJANI
NARAVOSLOVNOTEHNIŠKA FAKULTETA ODDELEK ZA MATERIALE IN METALURGIJO
VPLIV TOPLOTNIH OBDELAV NA MEHANSKE LASTNOSTI ALUMINIJEVE ZLITINE EN AW-2011
MAGISTRSKO DELO
TINKARA SMOLAR
LJUBLJANA, september 2021
UNIVERSITY OF LJUBLJANA
FACULTY OF NATURAL SCIENCES AND ENGINEERING DEPARTMENT OF MATERIALS AND METALLURGY
INFLUENCE OF HEAT TREATMENTS ON MECHANICAL PROPERTIES OF ALUMINIUM
ALLOY EN AW-2011
MASTER‘s THESIS
TINKARA SMOLAR
LJUBLJANA, September 2021
iv PODATKI O MAGISTRSKEM DELU Število listov: 83
Število strani: 68 Število slik: 42
Število preglednic:19 Število literaturnih virov: 89 Število prilog: 0
Študijski program: Magistrski študijski program 2. stopnje Metalurgija in materiali
Komisija za zagovor magistrskega dela:
Predsednik: prof. dr. Peter Fajfar Mentorica: izr. prof. dr. Maja Vončina Somentor: dr. Matej Steinacher Član: prof. dr. Jožef Medved
Ljubljana, ………:
v
"Človek lahko doseže prav vse, če je iznajdljiv, vztrajen in usmerjen k izbranemu
cilju z vsem svojim srcem in dušo. "
Božidar Eržen
ZAHVALA
Na poti od začetka študija do trenutka, ko v roki držiš izvod svojega magistrskega dela, te spremlja ogromno ljudi, ki te tako ali drugače vodijo in izpopolnjujejo …
Magistrsko nalogo opravi samo ena oseba, ki pa bi brez pomoči težko uspela. Zato bi se rada zahvalila v prvi vrsti mentorici prof.
dr. Maji Vončina, ki mi je med izdelavo dela dajala koristne napotke in z mano iskala rešitve. Zahvala pripada tudi somentorju, delovnemu mentorju dr. Mateju Steinacherju, ki mi je nudil vso teoretično razlago procesa v podjetju in skrbno načrtoval ves eksperimentalni del.
Iz srca bi se rada zahvalila vsem, ki ste mi v verigi eksperimentov pomagali vsak na svojem področju v podjetju Impol.
Iskrena hvala Jakob za podporo, razumevanje, nasvete in pomoč pri nastanku magistrskega dela, s tvojo pomočjo je bilo dosti lažje.
Magistrsko delo je mozaik vseh, ki ste me na moji poti spremljali.
Magistrsko delo je bilo izdelano v okviru projekta Martin.
vi IZVLEČEK V SLOVENSKEM JEZIKU
Iztiskovanje, kot postopek preoblikovanja, predstavlja zgolj posamezni korak pri celotni metalurški verigi. Pri izločevalno-utrjevalnih zlitinah so tako ob deformaciji ključnega pomena tudi toplotne obdelave. Homogenizacija, ki se izvede pred postopkom iztiskovanja, in staranje, ki se izvede po postopku iztiskovanja, predstavljata ključen del raziskovalnega vprašanja v industrijski energetiki in ekonomiki. Optimiranje časovno in temperaturno ugodnejših toplotnih obdelav predstavlja izzive raziskovalnih in znanstvenih institucij, kar pomaga pri napredku tako metalurške stroke kot tudi industrijskih obratov. Kljub morebitnim spremembam morajo končni izdelki zagotavljati ustrezno mikrostrukturo in mehanske lastnosti.
Namen magistrskega dela je bil analizirati vpliv toplotnih obdelav pred postopkom iztiskovanja in po njem na končne mehanske lastnosti iztiskovanih palic. Cilji so bili usmerjeni v analizo utrjevalno-izločevalne aluminijeve zlitine EN AW-2011, izvedbo različnih toplotnih obdelav, nateznih preizkusov in merjenje trdot. Hkrati so bili rezultati mehanskih preizkusov podkrepljeni z analizami svetlobne mikroskopije, vrstične elektronske mikroskopije ter diferenčne vrstične kalorimetrije. Raziskovalni problem je predstavljalo iskanje optimalne izvedbe homogenizacije (pred iztiskovanjem) in staranja (po iztiskovanju), pri čemer bi implementacija tovrstnih ugotovitev v industriji predstavljala tudi ekonomski vidik ter zmanjšala količino CO2 na kilogram proizvedenega aluminija.
Raziskovalno delo je v začetku zajemalo pregled in analizo literaturnih virov. V ospredju so bile analize toplotnih obdelav za sorodne oz. podobne zlitine obravnavani EN AW-2011. Vzorčenju vertikalno polkontinuirno litih drogov je sledila sistematična izvedba toplotne obdelave (homogenizacije) pri temperaturi 520 °C in 8 različnih časih (laboratorijske žarilne peči). Izvedba analiz DSC je služila za ugotovitev in potrditev uspešnosti in ustreznosti omenjene toplotne obdelave. Na podlagi teh tez so se izbrali parametri homogenizacije za nadaljnjo raziskavo.
Karakterizacija iztiskovanih palic je zagotovila sledenje celotnemu, tudi preoblikovalnemu delu eksperimentalnega procesa. Po vzoru sistematično izvedenih toplotnih obdelav homogenizacije je bila izvedena tudi toplotna obdelava umetnega staranja. Razpon omenjene toplotne obdelave je obsegal tri različne temperature in temu prilagojene časovne intervale. Obseg raziskav proizvodne verige je potrdil najoptimalnejše parametre homogenizacije 520 °C 4 ure in umetnega staranja pri 170
°C 14 ur.
Ključne besede: aluminijeva zlitina EN AW-2011, toplotna obdelava, homogenizacija, umetno staranje, mehanske lastnosti
vii ABSTRACT
Extrusion, as a metal forming process, represents a complete individual step in the entire metallurgical verification. In the case of heat-hardening alloys, heat treatment is also crucial in addition to deformation. Homogenization, which is carried out before the extrusion process, and aging, which is carried out after the extrusion process, are the key to the researcher in the industrial energy and economics. Optimizing more time and temperature favorable heat treatments presents challenges to research and scientific institutions, which helps in the progress of both metallurgical science and industrial plants. In addition to possible changes, the final products must provide suitable microstructure and mechanical properties.
The purpose of the master's thesis was to analyze the influence of heat treatments before and after the extrusion process on the final mechanical properties of extruded bars. The objectives were focused on the analysis of the precipitation hardening aluminum alloy EN AW-2011, the implementation of various heat treatments, tensile tests and measured hardness. At the same time, the results of mechanical tests were supported by the analysis with light microscopes, scanning electron microscopy and differential scanning calorimetry. The research problem was the search for optimal implementation of homogenization (before extrusion) and aging (after extrusion), where the implementation of such findings in industry would also represent an economic aspect.
The research work initially included a review and analysis of literature sources. At the forefront were the analyzes of heat treatments for related or similar alloys as EN AW- 2011. Sampling of vertically semi-continuously cast bars was followed by systematic heat treatment (homogenization) at a temperature of 520 °C at 8 different times (laboratory annealing furnaces). Carrying out a DSC analysis, which was found to confirm the effectiveness and adequacy of the mentioned heat treatment. Based on these theses, the homogenization parameters were selected for further research.
The characterization of the extruded bars ensured the tracking of the entire, including the deformation part of the experimental process. Following the example of systematically performed heat treatment of homogenization, heat treatment of artificial aging was also performed. The range of mentioned heat treatments included three different temperatures and time intervals adapted to them. The scope of research in the production chain confirmed the most optimal parameters of homogenization at 520
°C for 4 hours and artificial aging at 170 ° C for 14 hours.
Key words: Aluminum alloy EN AW-2011, heat treatment, homogenization, artificial aging, mechanical propertie
viii ŠIRŠI POVZETEK VSEBINE
Vsak končni izdelek ima predpisane lastnosti, hkrati pa ima vsak material svoje karakteristike, zato je v svetu proizvodnje vedno ogromno vprašanj in izzivov za doseganje le-teh. Preoblikovanje oz. deformacija daje izdelku obliko, s toplotno obdelavo izločevalno-utrjevalnih zlitin pa dajemo materialu ustrezne lastnosti.
Homogenizacija pred in umetno staranje po postopku iztiskovanja predstavljata ključni del raziskovalnega vprašanja v industrijski energetiki in ekonomiki. Za doseganje najprimernejših lastnosti materiala in hkrati ozaveščanja o nizkoogljični industriji predstavlja optimiranje časovno in temperaturno ugodnejših toplotnih obdelav izzive raziskovalnih in znanstvenih institucij. V skupnem se s tem širi napredek tako metalurške stroke kot tudi industrijskih obratov. Kljub morebitnim spremembam pa morajo končni izdelki zagotavljati ustrezno mikrostrukturo in mehanske lastnosti.
Magistrsko delo obsega optimizacijo toplotnih obdelav pred postopkom iztiskovanja in po njem ter vpliv na nekatere mehanske lastnosti. Cilj je usmerjen v optimizacijo toplotnih obdelav utrjevalno-izločevalne aluminijeve zlitine EN AW-2011, kar obsega izvedbo različnih toplotnih obdelav, nateznih preizkusov in merjenja trdot. Vzporedno smo rezultate podkrepili z analizo svetlobne mikroskopije, vrstične elektronske mikroskopije ter diferenčne vrstične kalorimetrije (DSC). Raziskovalni problem je osredotočen na iskanje optimalne izvedbe homogenizacije, ki se izvede pred iztiskovanjem, in staranja, ki se izvedejo po iztiskovanju izdelka. Z doseganjem optimalnih toplotnih obdelav bodo najugodnejši pogoji toplotnih obdelav implementirani v industrijski obrat, ki mu optimizacija predstavlja velik ekonomski prihranek.
Raziskovalno delo je bilo izvedeno v skupini Impol, kjer se je začelo litje aluminijeve zlitine EN AW-2011 po postopku vertikalnega polkontinuirnega litja v podjetju Impol LLT. Med samim postopkom je bilo izvedeno vzorčenje kemijske sestave drogov. Za raziskovalni namen so bili predvideni štirje drogovi v litem stanju. Vzporedno je bila opravljena tudi analiza mikrostrukture in trdote na drogovih redne proizvodnje s parametri homogenizacije 6 h pri temperaturi 520 °C. Na Naravoslovnotehniški fakulteti v Ljubljani, Oddelek za materiale in metalurgijo smo izvedli DSC-analizo vzorcev podjetja Impol LLT. Analiza DSC je služila za napovedovanje uspešne izbire temperature in časa homogenizacije. Za simulacije tvorbe ravnotežnih intermetalnih faz v odvisnosti od temperature v zlitini smo uporabili program Termo-Calc, kjer se je hkrati potrdila tudi najoptimalnejša temperatura homogenizacije 525 °C. Na podlagi rezultatov navedenih analiz smo opravili podrobno eksperimentalno laboratorijsko homogenizacijo v razvoju podjetja Impol 2000. Tako smo v laboratorijski peči izvedli homogenizacijo pri temperaturi 520 °C. Časi laboratorijske homogenizacije so obsegali od 2 do 8 h. Za potrditev uspešnosti laboratorijsko opravljenih homogenizacij je bila
ix
izvedena analiza trdot materiala in pregled mikrostrukture vzorcev. Rezultati so podali najbolj optimalno izvedbo homogenizacije s kombinacijo 4 h in 520 °C. Za nadaljnje raziskovanje smo v industrijskem obratu pripravili drogove, homogenizirane 4 h, 5 h in 6 h.
Postopek priprave drogov za iztiskovanje se je nadaljeval v Impol PCP, kjer so se drogovi razrezali na surovce in površinsko postružili. Sledilo je indirektno iztiskovanje na 35 MN iztiskovalnici s trižilnim orodjem. Nadalje je sledilo natezno ravnanje na natezno-ravnalnem stroju z deformacijo 3,5 %. Palice smo razrezali na manjše vzorce palic za nadaljnjo raziskavo. Karakterizacija iztiskanih palic je zagotovila sledenju celotnega eksperimentalnega procesa, ki se je izvajala v laboratorijih Impol R in R.
Po vzoru toplotne obdelave homogenizacije je bila opravljena tudi analiza toplotne obdelave staranja. Razrezane palice smo toplotno obdelali pri treh različnih temperaturah in različnih časih. Vzorce smo toplotno obdelali na 150 °C 8 h do 14 h, na 170 °C 8 h do 17 h in na 190 °C 5 h do 12 h. Z analizo trdote vzorcev smo ocenili najbolj optimalni temperaturi in časa, to sta 170 °C 14 h in 190 °C 9 h. V želji po doseganju ponovljivosti rezultatov smo vzorce ponovno umetno starali pri najoptimalnejših parametrih. Po končanem staranju smo analizirali mehanske lastnosti. Kot najoptimalnejši čas in temperatura staranja sta se izkazala čas 14 h in temperatura 170 °C. Ker pa so vzorci dosegali višje vrednosti na začetkih iztisnjenih palic kot na koncih, smo se lotili analize mehanskih lastnosti na manjšem odseku palice. Iz prej analizirane palice smo naredili standardne vzorce za mehansko preizkušanje na področju d/4 z navojem M8, s čimer smo dosegli homogen material v celotnem preizkušancu. Umetno smo starali vzorce pri temperaturi 170 °C 12 h in 14 h. Po analizah mehanskih lastnosti smo prišli do zaključka, da je najoptimalnejša toplotna obdelava staranja pri 170 °C 14 h.
Iz ekonomskega in ekološkega vidika smo dosegli ugodnejše procesne parametre toplotnih obdelav v verigi izdelave iztisnjenih palic iz zlitine EN AW-2011, saj se je čas homogenizacije skrajšal, čas umetnega staranja pa se je podaljšal za 2 h, pri čemer ta pri bistveno nižji temperaturi, 170 °C, kar pomeni, da je za ogrevanje peči potrebno veliko manj energije.
x
Slika: Primerjava časov homogenizacije in umetnega staranja pred in po raziskavi
xi VSEBINSKO KAZALO
1 UVOD ... 1
2 TEORETIČNE OSNOVE ... 2
2.1 Splošno o aluminiju in aluminijevih zlitinah ... 2
2.1.1 Razdelitev aluminijevih zlitin ... 3
2.1.2 Razdelitev aluminijevih gnetnih zlitin ... 4
2.2 Zlitinski sistem Al-Cu iz skupine 2xxx ... 6
2.3 Zlitina EN AW-2011 ... 9
2.4 Procesna pot izdelave palic iz zlitine EN AW-2011 ... 10
2.4.1 Litje ... 10
2.4.2 Homogenizacija ... 12
2.4.3 Iztiskovanje ... 14
2.5 Toplotna obdelava ... 16
2.5.1 Toplotna stanja ... 18
2.5.2 Staranje ... 20
3 EKSPERIMENTALNI DEL ... 22
3.1 Priprava vložka ... 23
3.2 Taljenje ... 23
3.3 Litje drogov ... 24
3.3.1 Kemijska sestava ... 24
3.3.2 Litje ... 25
3.4 Homogenizacija ... 26
3.5 Razrez in priprava na iztistiskovanje ... 27
3.6 Iztiskovanje ... 28
3.7 Staranje ... 30
3.8 Opis preiskovalnih metod ... 31
3.8.1 Termodinamični izračuni s programom Thermo-Calc ... 31
3.8.2 Diferenčna vrstična kalorimetrija (DSC) ... 32
3.8.3 Metalografska priprava vzorcev za mikroskopijo ... 33
3.8.4 Optična mikroskopija ... 33
3.8.5 Elektronska vrstična mikroskopija ... 34
3.8.6 Natezni preizkus ... 35
3.8.7 Merjenje trdote ... 36
3.9 Oznake vzorcev ... 38
4 REZULTATI ... 39
4.1 Termo-Calc ... 39
xii
4.2 Diferenčna vrstična kalorimetrija ... 42
4.3 Meritve trdote po homogenizaciji ... 43
4.4 Svetlobna mikroskopija ... 44
4.5 Elektronska mikroskopija ... 48
4.6 Določanje parametrov staranja ... 50
5 RAZPRAVA ... 55
6 POTRDITEV HIPOTEZ ... 60
7 ZAKLJUČKI ... 61
8 LITERATURA ... 62
xiii SEZNAM SLIK
Slika 1: Razdelitev aluminijevih gnetnih zlitin glede na glavni legirni element9 ... 4
Slika 2: Fazni diagram Al-Cu z označenimi področji stabilnih faz12, 13 ... 7
Slika 3: Fazni diagram Al-Cu do 60 mas. % Cu12, 13 ... 8
Slika 4: Mikrostrukturna posnetka Al2Cu faze v zlitini EN AW-2011: a) v litem stanju; b) po homogenizacijskem žarjenju14 ... 8
Slika 5: Mikrostruktura zlitine EN AW-2011... 9
Slika 6: Shematski prikaz vertikalnega polkontinuirnega litja z označenimi deli v konstrukciji 22 .. 11
Slika 7: Direktno in indirektno iztiskovanje: a) shema indirektnega in b) direktnega iztiskovanja ter c) obremenitev oz. sila v odvisnosti od pomika obdelovanca ali orodja za direktno in indirektno iztiskovanje.25, 84 ... 15
Slika 8: Mikrostrukturni posnetki raztopno žarjenih vzorcev 2 h pri temperaturah: a) 515 °C; b) 520 °C; c) 525 °C; d) 530 °C.40 ... 18
Slika 9: Shema strukturnega modela različnih osnovnih izločkov pri Al-Cu zlitini: GPI cona→GPII cona→θ''→θ'41 ... 21
Slika 10: Diagram poteka eksperimentalne raziskave, od litja do končne toplotne obdelave ... 22
Slika 11: Industrijska indukcijska peč za taljenje aluminijevega vložka pri izdelavi drogov ... 23
Slika 12: Prikaz livne linije od taljenja do litja ... 25
Slika 13: Prikaz mesta odvzema vzorcev za homogenizacijo ... 26
Slika 14: Prikaz laboratorijsko izvedene homogenizacije: a) laboratorijska homogenizacijska peč in b) z vstavljenimi vzorci ... 26
Slika 15: Industrijska kontinuirana homogenizacijska peč z vodno prho ... 27
Slika 16: Prikaz okroglice za iztiskanje: a) neobdelana okroglica v stružnici in b) obdelana, postružena okroglica ... 28
Slika 17: Tehnologija in način iztiskanja: a) izbrano orodje, b) Junker kontinuirana plinska peč s surovcem, c) prikaz poteka iztiskovanja; vstavitev okroglice in d) prikaz poteka iztiskovanja in pomik bata... 29
Slika 18: Postopki obdelave po izstopu palic iz stiskalnice: a) palice iz stiskalnice, ki vodi skozi vodno korito, b) palice po končanem iztiskovanju in gašenju in c) razrezane palice na manjše palice, za analizo ... 30
Slika 19: Prikaz označevanja razrezanih palic ... 30
Slika 20: Izvedba toplotne obdelave staranja: a) palice v laboratorijski peči, b) razrez palic na žagi v manjše vzorce in c) manjši vzorci v laboratorijski peči ... 31
Slika 21: Prikaz toplotne obdelave staranja za eksperimentalni del z vzorci M8: a) primerjava in odvzem epruvet M8 iz palice in b) vzorci v laboratorijski peči ... 31
Slika 22: Naprava STA449 Jupiter za merjenje diferenčne vrstične kalorimetrije ... 32
Slika 23: Priprava vzorcev: a) naprava za brušenje in poliranje vzorcev in b) naprava za elektrolitsko jedkanje ... 33
xiv
Slika 24: Optični mikroskop Zeiss Axio Observer 7 s pripadajočo računalniško opremo ... 34 Slika 25: Vrstični elektronski mikroskop JEOL JSM 6610 s pripadajočo računalniško opremo ... 35 Slika 26: Epruveta z navojem M8 med meritvijo na nateznem stroju... 36 Slika 27: Merilnik trdote: a) naprava za merjenje trdote in b) vzorec med meritvijo trdote ... 37 Slika 28: Ravnotežni izopletni fazni diagram za zlitino EN AW-2011 ... 39 Slika 29: Spreminjanje ravnotežnega deleža faz v odvisnosti od temperature za obravnavano zlitino EN AW-2011 ... 40 Slika 30: Scheilov diagram neravnotežnega strjevanja obravnavane zlitine EN AW-2011 ... 41 Slika 31: Ogrevalna in ohlajevalna krivulja DSC za zlitino EN AW-2011 ... 42 Slika 32: Graf preizkusa homogenizacije DSC v odvisnosti od časa. Označeni minimumi na krivuljah potrjujejo zaključek uspešne homogenizacije pred 4 h. ... 43 Slika 33: Grafični prikaz izmerjenih trdot za vzorce, homogenizirane (520 °C) pri različnih časih, in ohlajenih v različnih medijih ... 44 Slika 34: LM-mikrostrukturni posnetek: a) lito stanje vzorca iz D/4 in b) homogenizirano stanje vzorca na 520 °C in 6 h v industrijskem obratu ... 44 Slika 35: LM-mikrostrukturni posnetek pod polarizatorjem: a) lito stanje in b) homogenizirano stanje na 520 °C 6 h v industrijskem obratu ... 45 Slika 36: Pregled LM-mikrostrukturnih posnetkov po različnih časih homogenizacije na 520 °C in postopkih ohlajanja po homogenizaciji ... 47 Slika 37: SEM SEI-posnetki z označenimi točkami in področji EDS-analize. Na vzorcih v litem in homogeniziranem stanju (od 2 h do 8 h) in ohlajenih v vodi (v) so analizirane tako matrice kot tudi evtekstke faze. ... 48 Slika 38: SEM SEI-posnetki z označenimi točkami in področji EDS-analize. Na vzorcih v litem in homogeniziranem stanju (od 2 h do 8 h) in ohlajenih na zraku (z) so analizirane tako matrice kot tudi evtektske faze. ... 49 Slika 39: Delež evtektskih faz θ-Al2Cu in Al7Cu2Fe pri vzorcih, homogeniziranih na 520 °C in različnih časih, ohlajanih v vodi in na zraku. V primerjavi s povprečno velikostjo kristalnega zrna, izraženega v μm, in povprečno velikostjo faz v μm ... 56 Slika 40: Primerjava deleža bakra v osnovi in evtekstki fazi Al7Cu2Fe v primerjavi s krivuljo DSC ... 57 Slika 41: Izmerjena trdota vzorcev z različnimi časi homogenizacije pri 520 °C ter z različnimi režimi staranja, 190 °C 8 h in 170 °C 14 h. Predstavljeni so tudi pripadajoči rezultati natezne trdnosti (Rm) in meje tečenja (Rp0,2). Na sliki a) so predstavljeni rezultati vzorcev iz palice na začetku in b) na koncu. ... 59 Slika 42: Izmerjena trdota vzorcev, odvzetih na d/4 palice, z različnimi časi homogenizacije pri 520 °C ter z različnimi režimi staranja, 170 °C 12 h in 170 °C 14 h. Predstavljeni so tudi pripadajoči rezultati natezne trdnosti (Rm) in meja tečenja (Rp0,2). Na sliki a) so predstavljeni rezultati vzorcev iz palice na začetku in b) na koncu. ... 59
xv SEZNAM PREGLEDNIC
Tabela 1: Lastnosti čistega aluminija5 ... 2 Tabela 2: Razdelitev aluminijevih skupin glede na glavni legirni element9 ... 3 Tabela 3: Primerjava relativne sposobnosti iztiskovanja Al-zlitin.85 ... 15 Tabela 4: Predpisane mehanske lastnosti za zlitino EN AW-2011v različnih toplotnih stanjih.34 . 16 Tabela 5: Mehanske lastnosti (natezne lastnosti, trdota) za različne izvedbe raztopnega žarjenja in staranja za zlitino EN AW-2011.34... 17 Tabela 6: Toplotna stanja za Al-zlitine z izvedbo različnih toplotnih obdelav41 ... 19 Tabela 7: Sestava in količine vhodnega materiala oz. vložka. Navedene so interne oznake podjetja Impol. V oklepajih so dodane še oznake po standardu.9 ... 23 Tabela 8: Seznam dodanih legirnih elementov po prvem vzorčenju ... 24 Tabela 9: Kemijska sestava zlitine EN AW-2011 po standardu ASTM B211/B211M-1944 ter izdelane zlitine za eksperimentalno delo ... 24 Tabela 10: Seznam parametrov litja drogov za izvedbo raziskovalnega dela ... 25 Tabela 11: Povprečna kemijska sestava 3 litih drogov, ki so bili uporabljeni za nadaljnje
industrijske in laboratorijske postopke. Vrednosti so podane v mas. % ... 25 Tabela 12: Tehnološki parametri iztiskanja palic na indirektni stiskalnici ... 29 Tabela 13: Predstavitev oznak vzorcev z razlago. ... 38 Tabela 14: Povprečna velikost kristalnega zrna in povprečna velikost faz pri homogeniziranih vzorcih (različni časi), ohlajenih v vodi (V) ali na zraku (Z) ... 46 Tabela 15: Vrednosti izmerjenih trdot na drogovih različnih industrijsko izvedenih homogenizacij in končne toplotne obdelave staranja na vzorcih iz začetka iztiskane palice pri variiranih časih in temperaturah. Vrednosti trdot v tabeli so podane v HB ... 51 Tabela 16: Vrednosti izmerjenih trdot na drogovih različnih industrijsko izvedenih homogenizacij in končne toplotne obdelave staranja na vzorcih s koncev iztiskane palice pri variiranih časih in temperaturah. Vrednosti trdot v tabeli so podane v HB ... 52 Tabela 17: Rezultati mehanskih lastnosti za različno homogenizirane drogove in nadalje iztiskane palice, starane po režimu 190 °C za 8 h ali 170 °C za 14 h, ki sta se glede na predhodno izmerjene trdote izkazala za najbolj optimalna ... 53 Tabela 18: Rezultati mehanskih lastnosti za različno homogenizirane drogove in nadalje iztiskane palice, starane po režimu 190 °C za 8 h ali 170 °C za 14 h, ki sta se glede na predhodno izmerjene trdote izkazala za najbolj optimalna. Vzorci so bili odvzeti na D/4 palice, iz njih pa se je izdelala standardna oblika preizkušanca M8 ... 54 Tabela 19: Rezultati mehanskih lastnosti za različno homogenizirane drogove in nadalje iztiskane palice, starane po režimu 150 °C, 170 °C, 190 °C, pri različnih časih umetnega staranja, ki so se glede na predhodno izmerjene trdote izkazala za najbolj optimalna ... 58
xvi
SEZNAM OKRAJŠAV IN POSEBNIH SIMBOLOV
Al aluminij
Al2O3 aluminijev oksid
Cu baker
Fe železo
Al2Cu intermetalna faza na osnovi Al-Cu
EN AW Evropski standard za gnetne aluminijeve zlitine (European norms for wrought aluminium alloys)
ASTM american society for testing and materials oz. ameriška družba za testiranje in materiale
DSC diferenčna vrstična kalorimetrija LM svetlobna mikroskopija
SEM vrstična elektronska mikroskopija EDS energijska disperzijska spektroskopija TCAL6 baza podatkov za termodinamični izračun Rm natezna trdnost
Rp0,2 dogovorna meja tečenja MPa megapaskal
HB trdota po Brinellu A raztezek ob porušitvi
A50 raztezek ob porušitvi pri merilni dolžini 50 mm
ρ gostota
α-Al primarni zmesni kristali aluminija
DC litje direct chill oz. neposredno hlajen postopek litja
t čas
h ur
T temperatura
°C stopinj Celzija
µm mikrometer
mas. % masni odstotek
G razred zrnatosti po ASTM
1
1 UVOD
Sodobna avtomobilska industrija je močno odvisna in povezana z iztiskanimi aluminijevimi izdelki.
Uporabnost različnih profilov in specifično oblikovanih končnih aluminijevih iztiskanih izdelkov se ob omenjeni najbolj zastopani aplikaciji širi tudi v preostale, predvsem elektro, gradbeno in strojno panogo. S težnjami po doseganju vedno novih materialov (eko zlitin) in pa boljših lastnosti obstoječih materialov z omejeno uporabo svinca se ob vedno strožjih okoljskih zahtevah vse pogosteje pojavljajo novi izzivi pri optimizaciji proizvodnje s poudarkom na reciklaži in varčevanju energetskih virov. Pri slednjem so najpogosteje predmet optimizacije številne toplotne obdelave, ki se zvrstijo v procesni verigi. Zagotavljajo kombinacije primerne temperature in časa izvedbe toplotne obdelave za doseganje želenih vmesnih, še bolj pa končnih mehanskih lastnosti materiala.
Procesu vertikalnega polkontinuirnega litja drogov, namenjenih preoblikovanju z iztiskovanjem, sledi toplotna obdelava homogenizacije, katere glavni namen je zmanjšanje napetosti, nastalih pri omenjenem postopku litja, hkrati pa enakomerno razporeditev velikosti kristalnih zrn kot tudi preostalih mikrostrukturnih sestavin. Uspešnost homogenizacije je tako pogosto definirana z raztapljanjem posameznih evtektskih faz, kar posledično zaradi večjega raztapljanja legirnih elementov v osnovi oz. matrici zagotavlja primerno trdoto materiala. Trdota in preostale mehanske lastnosti so pri aluminijevih zlitinah iz skupine 2xxx, zaradi učinka izločevalnega utrjevanja, odvisne tudi od uspešnosti toplotne obdelave staranja, ki se izvede na končnih proizvodih ali polproizvodih želenih dimenzij. Z morebitnimi spremembami homogenizaciji je sorazmerno treba prilagoditi tudi kombinacijo temperature in časa staranja, da bi dosegli želene mehanske lastnosti.
Kot je že opisano, je za doseganje lastnosti zlitin pomembna toplotna obdelava., zato smo se v magisterskem delu osredotočili na optimizacijo toplotnih obdelav zlitine EN AW-2011. Spremljali smo procese izdelave omenjen zlitine, hkrati pa smo obravnavali pomen homogenizacije in umetnega staranja v povezavi z mehanskimi lastnostmi.
2
2 TEORETIČNE OSNOVE
2.1 Splošno o aluminiju in aluminijevih zlitinah
Aluminij (Al) je najbolj uporabljena neželezna kovina na svetu, katerega trenutna letna poraba je okvirno 85 milijonov ton, približno 75 % te vrednosti (65 milijonov ton) se uporablja primarnega aluminija, pridelanega neposredno iz rude. Preostali del predstavlja sekundarni aluminij, ki je lahko krožni material ali odpadni material. Edinstvene lastnosti aluminija in Al-zlitin omogočajo, da je aluminij eden najbolj vsestranskih, ekonomičnih in zaželenih kovinskih materialov. Primeren je za širok spekter uporabe, vse od mehke, visoko duktilne folije do najbolj zahtevnih inženirskih aplikacij.1, 2, 3
Primarni aluminij pridobivamo v elektroliznih celicah Hall-Heroutovega procesa. Iz boksitne rude pridobimo glinico (Al2O3), ki jo raztopimo v kriolitni kopeli. S pomočjo fluoridne soli v elektrolitski celici kontroliramo temperaturo, gostoto in upornost procesa. Preko ogljikovih katod teče električni tok, kjer se zaradi redukcije glinice začne izločati aluminij. Izločen aluminij iz elektroliznih celic periodično odstranjujemo (črpamo) s pomočjo vakuuma ali sifona. Pridobljen aluminij ima čistost 99,7–99,5 mas. %.
Za nadaljnjo uporabo je pogosto potrebna večja čistost aluminija, zato uporabimo elektrolizno rafinacijo, s čimer se zagotovi čistost aluminija tudi do 99,999 mas. %. Gostota čistega aluminija je 2,7 g/cm3 (tabela 1), kar je približno tretjina toliko kot pri železu (7,83 g/cm3).1 Kljub izjemno nizki gostoti se tehnično čist aluminij zaradi slabših lastnosti redko uporablja, vendar se le-te z legiranjem namensko izboljšajo.1, 4
Tabela 1: Lastnosti čistega aluminija5
Lastnost Oznaka Vrednost Enota
Gostota ρ 2,7 g/cm3
Temperatura tališča Ttališča 660,2 °C
Temperatura vrelišča Tvrelišča 2476 °C
Topotna prevodnost λ 273 W/mK
Električna prevodnost σ 37,7 x 10-6 1/mΩ
Specifična toplotna kapaciteta c 900 J/kgK
Meja tečenja Rm 80–120 N/mm2
Dogovorna meja tečenja Rp0,2 20–40 N/mm2
Raztezek ob porušitvi A 10–25 %
Trdota po Brinellu 15–25 HBW
3
Nekatere aluminijeve zlitine imajo visoko trdnost in korozijsko obstojnost (skupina 6xxx), kar v povezavi z majhno težo predstavlja idealne pogoje za uporabo v konvencionalnih in novih aplikacijah. Te lastnosti omogočajo izdelavo trdnih, a hkrati lahkih konstrukcij. Ustreznost želenih lastnosti aluminijevih zlitin omogoča uporabo v različnih panogah (vesoljska, avtomobilska, pomorska, prehrambna in gradbena industrija). Posebnost aluminija je tvorba tanke oksidne plasti, ki zavira nadaljnjo oksidacijo. Aluminij izkazuje odlično električno in toplotno prevodnost.
Toplotna prevodnost aluminija v primerjavi z bakrom je približno 40–50 % nižja, to pa se izkazuje pri uporabi v toplotnih izmenjevalcih, električno ogrevanih aparatih in pripomočkih, kot so glave avtomobilskih cilindrov in radiatorjev. Pomembna lastnost, ki jo kaže aluminij, je nepirofornost, kar pomeni, da je aluminij primeren za uporabo z vnetljivimi in eksplozivnimi materiali. Uporaba aluminija v prehrambni industriji (embalaža za hrano in pijačo) dokazuje tudi nestrupenost aluminija.1, 2, 4, 6
2.1.1 Razdelitev aluminijevih zlitin
Razdelitev Al-zlitin zajema dve glavni skupini (livarske in gnetne Al-zlitine). Nadaljnja delitev pogosto obsega načine doseganja mehanskih lastnosti, torej na toplotno utrjevalne ali deformacijsko utrjevalne Al-zlitine. Ustvarjene nomenklature podrobno razdelijo Al-zlitine, kriterij delitve pa predstavljajo aluminiju najpogosteje dodani legirni elementi. Najbolj uporabljena nomenklatura je po sistemu svetovnega aluminijevega združenja (Aluminum Associations system).
Tovrstni sistem deli zlitine v skupine glede na sposobnost mehanske ali termične obdelave in glavni legirni element, ki je dodan v zlitino.7, 8 Za gnetne zlitine je tako uporabljen 4-številčni sistem, pri katerem si skupine sledijo od 1xxx vse do 8xxx. V tabeli 2 so navedene aluminijeve skupine za gnetne zlitine in njihov glavni legirni element.7
Tabela 2: Razdelitev aluminijevih skupin glede na glavni legirni element9 Skupina zlitine Glavni legirni element
1xxx minimalna 99,000-% čistost
2xxx Baker
3xxx Mangan
4xxx Silicij
5xxx Magnezij
6xxx Silicij in magnezij
7xxx Cink
8xxx Ostali elementi (Fe, Ni, Sb, Li …)
Pri razdelitvi Al-zlitin na postopke doseganja mehanskih lastnosti se pojavita dve skupini. Prva skupina so izločevalno-utrjevalne zlitine, kamor so uvrščene zlitine iz sistemov Al-Cu-Mg, Al-Mg- Si in Al-Zn-Cu. Te zlitine se utrjujejo s staranjem (izločevalnim utrjevanjem). Druga skupina pa so zlitine, ki se utrjujejo z deformacijo oz. z medfaznim žarjenjem. V to skupino spadajo zlitine na osnovi Al-Mg in Al-Mn.8 Na sliki 1 je prikazana delitev gnetnih zlitin glede na glavni legirni element ter njihove značilnosti.
4
Slika 1: Razdelitev aluminijevih gnetnih zlitin glede na glavni legirni element9 2.1.2 Razdelitev aluminijevih gnetnih zlitin
Skupina 1xxx
V skupino 1xxx spadajo tako imenovane super čiste (rafinirane) zlitine z 99,99 mas. % čistostjo in tehnično čiste zlitine z več kot 99,00 mas. % čistostjo. Te zlitine niso toplotno utrjevalne in imajo nizko natezno trdnost, kar je posledica nižjega deleža dodanih legirnih elementov. Glavne, predvsem pozitivne, karakteristike Al-zlitin iz skupine 1xxx so: odlična odpornost na korozijo, visoka toplotna in električna prevodnost, nizke mehanske lastnosti in odlična preoblikovanost.
Kadar želimo izboljšati trdnost z deformacijskim utrjevanjem, se v majhnih količinah pogosto dodata železo (Fe) (0,4 mas. % za EN AW-1450) in silicij (Si) (0,25 mas. % za EN AW-1050A).
Zlitine iz skupine 1xxx se uporabljajo za električne induktorje, opremo za kemikalije, za folije, za arhitekturno-dekorativne zaključke in litografske plošče.8, 10
Skupina 2xxx
Pri tej skupini Al-zlitin je baker (Cu) glavni legirni element. Pogosto je uporabljena tudi v kombinaciji bakra in magnezija (Mg). V to skupino tako spadajo zlitine iz sistemov Al-Cu in Al- Cu-Mg. Take zlitine so toplotno utrjevalne in zahtevajo naknadno raztopno žarjenje za dosego optimalnih lastnosti. V nekaterih primerih se povečajo mehanske lastnosti z izločki (Al2Cu), ki nastanejo med staranjem. S staranjem se tako s toplotno obdelavo pri nizkih temperaturah poveča trdnost, vendar se na račun le-tega niža vrednost raztezka, učinek na natezno trdnost pa je v večini primerov zanemarljiv.1 Al-zlitine skupine 2xxx nimajo tako dobre korozijske odpornosti v primerjavi z ostalimi Al-zlitinami, saj so zaradi dodatka bakra bolj nagnjene k interkristalni koroziji.
Zlitine iz skupine 2xxx se uporabljajo predvsem za aplikacije, kjer je posebej pomembno razmerje visoke trdnosti in nizke teže. Najpogostejša uporaba tovrstnih zlitin je pri izdelavi platišč za tovornjake ter pri posameznih letalskih delih.1
5 Skupina 3xxx
Mangan (Mn) je glavni legirni element skupine 3xxx. Al-zlitine iz skupine 3xxx niso toplotno utrjevalne, vendar imajo zaradi dodatka mangana tudi do 20 % višjo trdnost kot zlitine skupine 1xxx. Že zelo nizek dodatek mangana (do 1,5 mas. %) je učinkovit pri izboljševanju mehanskih lastnosti aluminija. Zaradi dobre trdnosti in hkrati duktilnosti, predvsem pa odlične korozijske odpornosti, kar omogoča širok spekter uporabe, je treba še posebej izpostaviti zlitino EN AW- 3003. Zlitine skupine 3xxx se uporabljajo za folije, kuhinjske pripomočke, strešno pločevino in predvsem za telo pločevink, ki so nepogrešljivi produkt pri prehrambni industriji.1, 10
Skupina 4xxx
Glavni legirni element skupine 4xxx je silicij. Ta je dodan v večjih količinah, kar do 12 mas. %, podobno kot mangan v skupini 3xxx. Ta skupina zlitin se uporablja za izdelavo varilskih žic, ki morajo imeti nižje tališče od osnovnega materiala. Al-zlitine iz skupine 4xxx niso toplotno utrjevalne, vendar pa, ko se uporablja kot varilski material v toplotno utrjevalnih zlitinah, izkazuje toplotno utrjevalne lastnosti. Zaradi svoje temno sive barve po anodizaciji so tovrstne zlitine vse pogosteje prisotne v arhitekturi. Zlitine skupine 4xxx imajo nizki koeficient raztezka in visoko odpornost proti obrabi, kar je uporabno pri batih motorjev.1
Skupina 5xxx
Magnezij, kot glavni legirni element skupine 5xxx, se dodaja samostojno ali skupaj z manganom.
Zlitine iz skupine 5xxx so visoko trdne, preoblikovalne in zaradi širokega območja deleža dodatka magnezija zelo široko uporabne. Magnezij je učinkovitejši utrjevalec kot mangan, saj ga lahko dodajamo v precej večjih deležih. Zlitina EN AW-5456 dosega natezno trdnost do 160 MPa.
Raztezki pa običajno presegajo 25 %. Zlitine te skupine so dobro varive in dobro korozijsko odporne v obmorski atmosferi.1, 8
Skupina 6xxx
Silicij in magnezij sta glavna legirna elementa skupine 6xxx. Skupaj tvorita kvazi binarno zlitino Al- Mg2Si z izločevalno-utrjevalno fazo Mg2Si. Zlitine te skupine ne dosegajo takšne natezne trdnosti kot zlitine iz skupin 2xxx in 7xxx, vendar so dobro oblikovalne, varive, obdelovalne in korozijsko obstojne. Al-zlitine iz skupine 6xxx spadajo v toplotno utrjevalne. Zlitine se lahko raztopno žari, čemur ne sledi postopek izločevalnega utrjevanja. Opisano stanje označimo s T4. V nasprotnem primeru, ko raztopnemu žarjenju sledi staranje, pa tako stanje označimo s T6. Zlitine skupine 6xxx se večinoma uporabljajo za iztiskane izdelke. 1, 8
Skupina 7xxx
Cink (Zn), ki je dodan v 1–8 mas. %, je glavni zlitinski element skupine 7xxx. Ob dodatku majhnega deleža magnezija spadajo take zlitine med toplotno utrjevalne. Zlitine skupine 7xxx imajo po staranju zelo visok utrjevalni učinek, saj dosegajo izjemno visoko trdnost. Kot so opisali Polmear in sodelavci,8 so leta 1917 pri sestavi Al-20Zn-2,5Cu-0,5Mg-0,5Mn dosegli natezno trdnost 580 MPa. Skupina 7xxx se uporablja v letalstvu, avtomobilski opremi in ostalih visoko napetostnih delih. Zlitine kažejo zmanjšano odpornost na napetostno korozijo in so pogosto uporabljene v
6
prestaranem stanju, saj kažejo boljšo kombinacijo trdnosti, korozijske odpornosti in odpornost na prelom.1, 8
Skupina 8xxx
V tej skupini so zbrane Al-zlitine s širokim spektrom različnih kemijskih sestav. Z dodatki železa, niklja (Ni), kositra (Sb), litija (Li) in podobnih elementov dajejo Al-zlitinam specifične lastnosti.
Nekatere zlitine so podobne ostalim skupinam zlitin, vendar te nimajo čisto enakih lastnosti. Na primer zlitina EN AW-8001 (Al-1,1Ni-0,6Fe) se uporablja v jedrskih elektrarnah, kjer je osnovna predpisana lastnost visoka odpornost proti koroziji pri visokih temperaturah in visokih tlakih. V primerjavi z zlitino EN AW-3003 so mehanske lastnosti enake, vendar se razlikuje v kemični sestavi. Zelo pomembno vlogo ima dodatek antimona (Sb). Zlitini EN AW-8280 in EN AW-8081 sta danes najbolj uporabljeni zlitini pri avtomobilskih motorjih. 1, 8
2.2 Zlitinski sistem Al-Cu iz skupine 2xxx
Aluminijeve zlitine iz skupine 2xxx, ki temeljijo na sistemu Al-Cu, imajo visoko trdnost in nizko specifično težo, kar zagotavlja široko uporabo iztiskovanih proizvodov iz tovrstnih zlitin za konstrukcijske komponente, predvsem v vojaških aplikacijah. Pomembno je poudariti, da imajo omenjene zlitine slabo stopnjo preoblikovanja z iztiskovanjem, kar zahteva visoke tlake pri preoblikovanju, kar se kaže v nizkem faktorju iztiskanja.45 Baker med staranjem zelo pomembno prispeva k trdnostnim lastnostim zlitine. Razvoj tovrstnih zlitin temelji na potrebah letalske industrije. Raziskave so prispevale k poznavanju optimalnega razmerja mehanskih in trdnostnih lastnosti med utrjevanjem zlitine.11
Fazni diagram je osnovno orodje za določevanje in razumevanje različnih kemijskih sestav, toplotnih stanj (termičnih obdelav) in njihovih mikrostruktur. Pri Al-zlitinah se fazni diagram uporablja za določanje temperature strjevanja določenih faz, tvorbe vrste faz, načrtovanje toplotnih obdelav itd.2
Binarni fazni diagram Al-Cu (slika 2), ki predstavlja osnovo za vse Al-zlitine skupine 2xxx, obsega dve evtektični in kar štiri peritektična fazna ravnotežja. Precej več različnih reakcij in premen se zvrsti v Cu-kotu faznega diagrama. Od temperature tališča bakra pri 1083 °C se proti Al-kotu, katerega tališče je zabeleženo pri 660,5 °C, zvrsti kar dvanajst različnih modifikacij faz v kombinaciji aluminija in bakra. Od tega jih je zgolj pet stabilnih pri sobni temperaturi (25 °C). Veliko bolj kot celotni fazni diagram Al-Cu je uporabna in obravnavana zgolj leva polovica (slika 3), kjer se pri sobni temperaturi v evtektik združita fazi α-Al in θ. Slednja je poznana tudi kot faza Al2Cu, ki ima temperaturo tališča pri 590,5 °C. Opisana faza pri temperaturi evtektičnega ravnotežja 548,2 °C v faznem diagramu obsega zgolj manjši del (od 52,5 mas. % do 53,5 mas. %), ki se proti sobni temperaturi še manjša oz. oži. Točka evtektične reakcije je pri že navedeni temperaturi najpogosteje postavljena pri 33,2 mas. %. Evtektik (α-Al + θ) obsega področje faznega diagrama vse do skrajnega levega Al-kota. Maksimalna topnost bakra v α-Al je pri 548,2 °C postavljena na 5,6 mas. %, proti sobni temperaturi pa se tudi področje α-Al krči, tako kot θ področje. Zgolj redke industrijsko kot
7
tudi raziskovalno uporabljene Al-Cu zlitine, med katere sodi tudi EN AW-2011, imajo v svoji kemijski sestavi več kot 5 mas. % Cu, kar postavlja ob prisotnosti α-Al v mikrostrukturi tudi zajeten del evtektika (α-Al + θ) (slika 4a). Evtektska Al2Cu faza se po homogenizaciji izoblikuje v bolj zaobljeni in kompaktni obliki (slika 4b), polega tega pa toplotna obdelava omogoča tudi izločanje izločkov na osnovi bakra.12–14
Slika 2: Fazni diagram Al-Cu z označenimi področji stabilnih faz12, 13
8
Slika 3: Fazni diagram Al-Cu do 60 mas. % Cu12, 13
Slika 4: Mikrostrukturna posnetka Al2Cu faze v zlitini EN AW-2011: a) v litem stanju; b) po homogenizacijskem žarjenju14
Za komercialno uporabo je malo zlitin iz skupine 2xxx. Najbolj so uporabljene zlitine EN AW- 2011, -2025 in -2219. Zlitina EN AW-2011 (Al-5,5Cu) ima dobre obdelovalne lastnosti, kar omogoča izdelavno izdelkov, namenjenih mehanski obdelavi.15–17 Za določene odkovke se uporablja zlitina EN AW-2025. Vendar jo je v veliki meri nadomestila zlitina EN AW-2219 (Al- 6,3Cu), ki ima uporabnejšo kombinacijo lastnosti, hkrati pa se uporablja tako za pločevino kot tudi za iztiskovane proizvode.8 Li in sodelavci18 so v svoji raziskavi, kjer so uporabili sorodno zlitino EN AW-2014, ugotavljali vpliv dodatka silicija na tvorjenje faz in uporabnost sorodnih zlitin. Za zlitino AA2014 so ugotovili, da sta izločevalno-utrjevalni fazi θ' (Al2Cu) in Q'(AlCuMgSi), pri čemer se z dodatkom silicija med staranjem močno poveča število Q' faz.18
9 2.3 Zlitina EN AW-2011
Zlitina EN AW-2011 je bila prvič izdelana leta 193419 in ima visoko trdnost. K zlitini se lahko dodajajo majhne količine svinca in bizmuta, ki sta tako rekoč netopna v aluminiju.19 Zaradi strupenosti svineca, se ga danes nadomešča z drugimi elementi, sočasno se tako zavijajo tako imenovane eko zlitine. Prednost bizmuta je v tem, da se med strjevanjem razteza in s tem kompenzira krčenje svinca med strjevanjem. Mikrostruktura zlitine EN AW-2011 je sestavljena iz primarnih kristalov α-Al, igličaste evtektične faze Al9Fe2Si2, ki se pojavlja na mejah kristalnih zrn, evtektične faze Al2Cu ter okroglastih delcev svinca in bizmuta (slika 5). 1, 16, 17, 19, 20
Zlitina EN AW-2011 se polkontinuirno lije v drogove, ki se iztiskujejo v polizdelke kot palice, cevi in žice ter se nadalje preoblikujejo v končne izdelke za naslednje aplikacije: vijačne strojne izdelke, aplikativne dele in opremo, orožje, avtomobilsko industrijo, elektroniko, strojno opremo in strojne dele.1
100 µm
α-Al
Bi Al2Cu
Al9Fe2Si2
Slika 5: Mikrostruktura zlitine EN AW-2011
10
2.4 Procesna pot izdelave palic iz zlitine EN AW-2011
Najpogostejša procesna pot v kovinskopredelovalni industriji za področje stiskalništva obsega litje, homogenizacijsko žarjenje, iztiskanje in končno toplotno obdelavo. Za uspešno izvedbo končnega proizvoda je treba zagotoviti ustrezno izvedbo vsakega od naštetih členov v procesni verigi. Zaradi težnje po doseganju vedno boljših izdelkov tako iz tehnološkega kot tudi iz ekonomskega vidika pa so za optimizacijo procesne poti, kjer so v ospredju predvsem izboljšave toplotnih obdelav, tovrstni izzivi ena od prioritet raziskovalnih in razvojnih sektorjev v industrijskem stiskalništvu.
2.4.1 Litje
V 20. letih prejšnjega stoletja je naraslo povpraševanje po velikih kovanih Al-izdelkih za letalsko industrijo, kar je ključno vplivalo na ulivanje aluminijastih ingotov. S povečanjem premera ingota je nastala nesprejemljivo groba mikrostruktura. V zlitini z enakovredno sestavo današnje zlitine EN AW-2024 so se pojavili veliki intermetalni delci, ki so povzročali pokanje med valjanjem in kovanjem. Groba mikrostruktura z večjim deležem intermetalnih faz je posledica premajhnega odvajanja toplote kokile. Za reševanje tega problema se je razvila metoda vertikalnega polkontinuirnega litja ingotov (directchill casting-DC). DC je polkontinuirna metoda litja ingotov, ki zagotavlja sorazmerno enakomerno mikrostrukturo po preseku. Najpogosteje se ingoti lijejo v vertikalni smeri, saj je tako zagotovljen največji nadzor nad velikostjo kristalnih zrn. Uliva se lahko več ingotov hkrati v dve različni obliki: pravokotno, kjer dobimo brame za valjane, in okroglo, kjer se zlitina strjuje v drog za nadaljnje iztiskovanje ali vlečenje.16
Slika 6 prikazuje shemo procesa vertikalnega polkontinuirnega litja. Ko se kokila napolni s talino, se začne dno pomikati navzdol, s tem nastane profil strjevanja. Oblika tega profila strjevanja je odvisna od nastavitev pretoka plina na livni mizi, pretoka zraka skozi grafitni obroč, prepustnosti grafitnega obroča, pretoka hladilne vode, hitrosti litja in temperature taline.8, 16, 20 V splošnem se za DC-litje uporabljajo naslednji parametri litja: temperatura se giblje med 690 °C in 725 °C s hitrostjo litja 3–20 cm/min in pretokom vode 2000–4000 mm3/s na 1 mm obsega kokile, kar znaša za 200 mm obseg kokile 75–150 l/min.21
11
Slika 6: Shematski prikaz vertikalnega polkontinuirnega litja z označenimi deli v konstrukciji 22 Strjevanje drogov pri DC-litju je neravnotežno in poteka na naslednji način:
Začetna cona (IMC – Initial Mold Chill Zone): V tej fazi staljeni aluminij stopi v stik s steno kokile.
Zaradi prenosa toplote s prevajanjem skozi steno kokile nastane trdna skorja. To območje se drugače imenuje tudi območje primarnega ohlajanja.
Območje počasnega strjevanja (SC – Slow Chill Zone): V drugi fazi se strjena talina oddaljuje od stene kokile. To močno zmanjša odvod toplote. Pri nekaterih zlitinah vroča notranjost povzroči delno nataljevanje. Ta talina, ki vsebuje veliko legirnih elementov (Mg, Mn, Zr, Cu, Ti, Cr in Si), prodira po mejah kristalov in pride na površino ingota. Posledica je mehurjasta površina. Proces se imenuje likvacija oz. izcejanje. Rezultat je območje izcej (likvacijski film), kjer je vsebnost legirnih elementov večja, pod njim pa območje z manj legirnimi elementi (osiromašen film).
Napredna razdalja hlajenja (ACD – Advanced Cooling Distance): V tretji fazi (fazi sekundarnega oz. direktnega ohlajanja) je že strjena talina v stiku z vodo, kar povzroči hitro ohlajanje drogov ali bram in spremembo strjevalnega profila. Razdalja do hitrega ohlajanja je razdalja med območjem počasnega strjevanja in območjem prvega stika z vodo. Razdalja je funkcija toka vode, hitrosti litja, zlitine in temperature vode.21
Visoka hitrost ulivanja drogov in ingotov povzroča precej neenakomerno in neravnovesno strjevanje. Posledično se v materialu pojavljajo napake, kot so segregacije, tvorba nizkotaljivih evtektikov, neugodna oblika intermatelnih faz ali nehomogena porazdelitev legirnih elementov po kristalni mikrostrukturi. Nehomogenost kemične sestave in trdne raztopine negativno vpliva na trdnost, preoblikovanost in odpornost proti koroziji, poleg tega pa lahko zaradi segregacije v materialu nastanejo nezaželene faze. Zaradi teh napak hitrega strjevanja taline je treba material toplotno obdelati s tako imenovanim homogenizacijskim žarjenjem. Ta postopek odpravi kristalne izceje in nizkotaljive evtektike ter omogoča popravo oblike intermetalnih faz v pravilne izločke.
12
Zaradi neravnotežnega strjevanja drogov prihaja v mikrostrukturi do napak, ki so bile zgoraj omenjene. Z napakami, ki nastanejo pri DC-litju, in njihovimi posledicami so se ukvarjali Nadella in sodelavci.21 Izpostavili so problem makrosegregacij kot posledico številnih vplivov od mešanja, kavitacije, vibracij, metalosatičnega tlaka do plinske poroznosti. Ugotovili so, da je trenutno razumevanje makrosegregiranja temelji na dveh mehanizmih, povezanih z relativnim gibanjem med fazami v tekočem in trdnem stanju, kot tudi na heterogenosti kemijske sestave, ki je posledica načina strjevanja pri obravnavanem načinu litja. Z modeliranjem in simulacijami je posamezne segregacije in njihov delež moč predpostaviti.17, 80
2.4.2 Homogenizacija
Pri neravnotežnem strjevanju ob litju drogov se pogosto tvorijo faze evtektikov, ki imajo relativno nizko temperaturo tališča.46, 36 Le-te se ob termomehanskih obdelavah pri povišanih temperaturah lahko stalijo, kar bi povzročilo napake materiala oz. nepopravljivo škodo iztiskanega proizvoda.26 Hkrati je bilo potrjeno, da so nizkotemperaturna žarjenja manj učinkovita pri odpravi evtektikov in mikrosegregiranih faz zaradi premajhne topnosti le-teh v trdni raztopini in omejene difuzivnosti legirnih elementov. Prav tako se kot posledica neravnotežnega strjevanja pojavijo problemi makro segregacij, nezaželene oblike intermetalnih faz in heterogena porazdelitev legirnih elementov po mikrostrukturi litega droga.50
Pred nadaljnjo predelavo ingotov in drogov v polizdelke se izvede toplotna obdelava. Tako imenovana homogenizacija se izvaja na temperaturi med 450–600 °C.23 Namen izvedbe homogenizacije po DC-litju je zmanjšanje mikrosegregacij, hkrati se po celotnem preseku ingota odstranjujejo neravnovesja nizko taljivega evtektika, ki povzroča razpoke med nadaljnjim delom.
Pred nadaljnjim preoblikovanjem je na ta način zagotovljeno tudi kontrolirano izločevanje preseženih koncentracij raztopljenih elementov. Homogenizacija vključuje difuzijo legirnih elementov iz mej zrn in drugih bogatih območij v center zrn. V praksi znašajo časi homogenizacije od 6–24 ur, odvisno od načina litja.24 Za obravnavano zlitino EN AW-2011 je predviden čas homogenizacije od 6–16 ur, odvisno od temperature homogenizacije.20, 82 V podjetju Impol, kjer smo izvajali eksperimente, se za obravnavano zlitino EN AW-2011 izvaja homogenizacija drogov v kontinuirani peči pri 520 °C 6 ur. Ob koncu toplotne obdelave pa sledi ohlajanje, predpisano glede na nadaljnjo predelavo, v našem primeru se ohlaja pod vodno prho.83
Homogenizacija pred iztiskanjem bo uspešna zgolj v primeru, ko bo dosežena primerno homogenizirana mikrostruktura in optimalna trdota litega droga. Prav tako je homogenizacija pred iztiskanjem pomembna za odpravo segregacij na mikro in makro ravni, modifikacijo tipa in morfologije intermetalnih faz, kar bo posledično izboljšalo sposobnost iztiskanja (preoblikovanost).26 Dokazano je, da mikrostrukturne spremembe, kot so transformacije, tvorjenje novih faz (disperzoidov) in izločanje kot tudi raztapljanje izločkov med homogenizacijo, vplivajo na kasnejši postopek iztiskanja in razvoj mikrostrukture. Razvoj mikrostrukture in učinek le-te na končne mehanske lastnosti je vplivan tako s strani dodanih legirnih elementov kot tudi izvedbe toplotnih obdelav.27 Z nadzorom mikrostrukture in izvedbo toplotnih obdelav se kontrolirajo tudi postopki precipitacije.35
13
Prisotnost večjega deleža neravnotežnih faz, kot je pri aluminijevih zlitinah skupine 2xxx faza θ- Al2Cu, zaradi obogatitve z raztopljenimi atomi predstavlja veliko prednost pri utrjevanju materiala, hkrati pa otežuje nadaljnje raztapljanje (odstranjevanje teh faz iz mikrostrukture), kar zahteva dodatne toplotne obdelave, ki povečujejo stroške izdelave.48, 49 Za izboljšanje sposobnosti varjenja in trdnosti materiala se je pri več-elementarni zlitini EN AW-2014 namensko dodajal silicij.50, 51 Pogosto je v literaturi objavljeno, da manjši dodatek silicija v zlitine Al-Cu-Mg poveča stopnjo heterogene nukleacije, kar posledično vodi v izboljšanje učinka staranja in povišanja vrednosti trdot.52, 53 V mikrostrukturi zlitine EN AW-2011 največji delež predstavljajo kristalna zrna primarnega α-Al. Prav tako sta prisotni evtektski fazi Al9Fe2Si2, ki imata igličasto obliko in se tvorita na mejah kristalnih zrn, ter Al2Cu, ki ima bolj razvejano obliko. Pomembno je poudariti, da se pri obravnavani zlitini v mikrostrukturi pogosto opazijo tudi zaobljene oblike trdnih Pb in Bi delcev.16,
53, 54 Drogovi omenjenih dveh zlitin so mnogokrat liti z DC-postopkom, v njihovih kemijskih sestavah pa najpogosteje variirata deleža mangana in železa.55
Na tem področju je bilo izvedenih veliko raziskav. Kot primer lahko izpostavimo zlitinski sistem Al-Cu-Mg, ki po litju kaže dendritno mikrostrukturo. Ob primarni fazi (dendriti) so prisotne tudi različne evtektske faze na mejah dendritov oz. kristalnih zrn. Pogost problem pri postopkih preoblikovanja in doseganju želenih lastnosti lahko povzročajo intermetalne faze (Al2CuMg, Al2Cu, Al9FeNi, Al7Cu2Fe in Al7Cu4Ni) in nehomogeno razporejeni zlitinski elementi.25, 26 V obravnavanem sistemu je glavna izločena faza θ-Al2Cu. Po določenem času in pri temperaturi homogenizacije se fazi Al2CuMg in Al2Cu raztopita v matrici, ločijo se meje kristalnih zrn ter elementi postanejo bolj homogeno razporejeni, kar je osnovni namen izvedbe homogenizacije za uspešen postopek preoblikovanja in nadaljnjo obdelavo in izdelavo končnih izdelkov 27, 28
Wang in sodelavci28 poročajo o razvoju mikrostrukture zlitine Al-Cu-Mn po litju z DC-postopkom in nato po homogenizaciji. Zlitina ima mnogo mikrosegregacij z glavno izločeno fazo Al2Cu in nekaj Al7Cu2Fe faze. Faze kot tudi elementi so po litju bili na mejah kristalnih zrn, po homogenizaciji pa so se uspešno raztopili v matrici. Učinek izvedene homogenizacije je preučeval Adb El Aal29, ki je v svoji študiji potrdil povečanje učinkovitosti staranja (izboljšanje trdote) že s primerno izvedbo homogenizacije. Kot navajajo Shengli in sodelavci,30 je razlog za uspeh v povečanju končnih mehanskih lastnosti na račun uspešne homogenizacije lahko tudi dvostopenjska homogenizacija. Avtorji navajajo kot najbolj optimalno kombinacijo dvostopenjske homogenizacije zlitine Al-Cu-Li najprej pri 495 °C za 24 h, nato pa še pri 515 °C za 24 h.
Uspešnost toplotne obdelave homogenizacije vpliva tudi na trdnost materiala po procesu staranja.
Med samim procesom homogenizacije se večina sekundarnih faz raztopi v matrici oz. osnovi (primarni α-Al) v dveh stopnjah (prenos atoma skozi matrico in difuzija ob raztapljanju), ki vodita kinetiko raztapljanja.56 Dodatni vplivni faktor na kinetiko raztapljanja predstavlja oddaljenost sistema od homogeniziranega oz. ravnotežnega stanja, ki sistemu nudi gonilno silo za vzpostavitev omenjenega stanja. Omenjeni faktor je narekovan in pogojen z izbranim načinom litja.47
V splošnem homogenizacija kot toplotna obdelava omogoča difundiranje legirnih elementov iz mej kristalnih zrn in preostalih področij, obogatenih s posameznimi elementi proti osrednjemu delu
14
kristalnih zrn. Difuzijski čas je neposredno povezan z difuzijsko razdaljo, ki pa je opredeljena z velikostjo kristalnega zrna ali dendrita. Uspešnost homogenizacije je odvisna od izbrane zlitine, časa in temperature homogenizacije kot tudi hitrosti ogrevanja materiala do temperature homogenizacije.47 Počasno ogrevanje rezultira v povečani stopnji nukleacije, ki posledično prinaša drobnozrnato in homogeno mikrostrukturo.8
2.4.3 Iztiskovanje
Po homogenizaciji litih drogov sledi iztiskovanje. Iztiskovanje ali ekstruzija je v primerjavi z valjanjem ali kovanjem sodoben proces preoblikovanja kovin in zlitin. V osnovi poznamo dva načina iztiskovanja, ki se medsebojno ločita po razporeditvi orodja in obdelovanca. V primeru, da je orodje oz. matrica postavljena na enem koncu, obdelovanec, ki ga želimo preoblikovati, pa se s pomočjo stiskalnice pomika proti ali skozenj, imenujemo direktno iztiskovanje (slika 7b). V primeru tako imenovanega indirektnega iztiskovanja pa je orodje na enem koncu zaprto, na ta konec je postavljen obdelovanec, ki se preoblikuje, ko stiskalnica pomika matrico proti njemu (slika 7a). Za indirektno iztiskovanje je značilno zmanjšanje trenja med površino obdelovanca in orodjem, kar je za primer aluminijeve zlitine prikazano na sliki 7c. Ta prikazuje odvisnost sile od pomika orodja ali obdelovanca za direktno in indirektno iztiskovanje. Pri indirektnem iztiskovanju je za enako stopnjo deformacije oz. preoblikovanje potrebno tudi do 50 % manj obremenitve (sile) kot pri direktnem iztiskovanju. Posamezne prednosti indirektnega iztiskovanja se ob manjšem trenju navezujejo tudi na manjše temperaturne spremembe in stabilnejši in bolj enakomeren tok materiala pri preoblikovanju. Veliko nižje maksimalne sile, ki so potrebne za preoblikovanje z indirektnim iztiskovanjem, omogočajo deformacije do manjših presekov, višjih temperatur in s hitrejšimi stopnjami deformacije. Indirektno iztiskovanje je manj nagnjeno k nastanku napak materiala in grobo zrnatih mikrostrukturnih področij, kar zagotavlja bolj enakomerno deformacijo po celotnem preseku obdelovanca. Življenjska doba notranjosti orodja je zaradi minimalnega trenja precej daljša od orodij za direktno iztiskovanje. Kot glavna pomanjkljivost indirektnega iztiskovanja se najpogosteje izpostavlja obsežna mehanska obdelava površine, ki je nujna zaradi toka materiala pri preoblikovanju in posledičnem kontaminiranju površine ali napak na njej.25, 31, 84
15
Slika 7: Direktno in indirektno iztiskovanje: a) shema indirektnega in b) direktnega iztiskovanja ter c) obremenitev oz. sila v odvisnosti od pomika obdelovanca ali orodja za direktno in
indirektno iztiskovanje.25, 84
Parametri iztiskovanja so pogojeni z lastnostmi zlitine. Za mehkejše zlitine, kot so zlitine iz serije 6xxx, je potrebno za iztiskovanje manj sile kot pri trših zlitinah. Zlitina EN AW-2011 spada med mehkejše zlitine, saj ima veliko osnovnega α-Al ter nizko vsebnost legirnih elementov. Eno izmed meril iztiskovanja je pretočna napetost zlitine (locus on the extrusion limit diagram). Kot referenca za relativno iztiskovanje Al-zlitin je primerjava zlitine z referenčno zlitino 6063, katere indeks je 100 (tabela 3). Z naraščanjem števila je zlitina težje preoblikovalna.
Tabela 3: Primerjava relativne sposobnosti iztiskovanja Al-zlitin85 Zlitina Relativna sposobnost
iztiskovanja
Zlitina Relativna sposobnost iztiskovanja
1000 77 3004 180
1100 86 6082 197
6063 100 2014 202
3005 106 5052 229
3003 112 5056 232
6105 134 2024 247
4047 128 5054 265
3105 126 7150 269
6061 151 7050 280
5005 154 5083 281
7004 157 5182 293
2011 171 5456 300
7075 316
16 2.5 Toplotna obdelava
Nedoseganje ustrezno visokih mehanskih lastnosti se kljub ustrezni izvedbi postopkov litja, homogenizacije in predvsem preoblikovanja lahko pojavi zaradi neustreznosti toplotnih obdelav.32 Za izbrano zlitino EN AW-2011 so v tabeli 4 predstavljene mejne vrednosti za Rm Rp0.2 in A ter trdota po Brinellu (HB). Kot je razvidno, se najvišje mehanske lastnosti zahtevajo pri stanju T8.33 Vpliv izvedbe raztopnega žarjenja in staranja na mehanske lastnosti zlitine EN AW-2011 je predstavljen v tabeli 5. Jang in sodelavci33 so izvedli raztopno žarjenje za 2 h pri 5 različnih temperaturah v intervalu od 510 °C do 530 °C. Najvišje vrednosti vseh preiskovanih mehanskih lastnosti so se pojavile pri 525 °C, kar se izkaže za najbolj optimalno izvedbo raztopnega žarjenja 2 h pri omenjeni temperaturi. Pri različnih izvedbah staranja se razločno vidi povezovanje povečevanja vrednosti Rm in trdote po Vickersu (HV). Z optimizacijo časa in temperature staranja se tako povečujeta obe navedeni vrednosti. Glede na najvišje dosežene vrednosti (Rm je 402 MPa in trdota 126 HV) se za najbolj optimalen potek staranja izkaže 180 °C za 8 h izvedbe toplotne obdelave.
Tabela 4: Predpisane mehanske lastnosti za zlitino EN AW-2011v različnih toplotnih stanjih34
Toplotna stanja
Debelina t [mm]
Natezna trdnost
Rm
[MPa]
Dogovorna meja tečenja
Rp0.2
[MPa]
Raztezek A [%]
Trdota po Brinellu
[HB]
T3 5–40 320 270 10 90
T4 20–180 275 125 14 80
T6 20–75 310 230 8 90
T8 5–76,20 370 270 8 110
17
Tabela 5: Mehanske lastnosti (natezne lastnosti, trdota) za različne izvedbe raztopnega žarjenja in staranja za zlitino EN AW-201134
Temperatura T [°C]
Čas t [h]
Natezna trdnost
Rm
[MPa]
Dogovorna meja tečenja
Rp0.2
[MPa]
Raztezek A [%]
Trdota po Vickersu
[HV]
Raztopno žarjenje
510 2 318 152 30,3 79
515 2 325 160 30,3 81
520 2 333 158 30,3 84
525 2 340 168 31,0 94
530 2 335 158 30,5 91
Staranje
160 2 366 211 / 98
170 2 362 208 / 102
180 2 378 218 / 106
190 2 305 165 / 100
160 4 375 218 / 100
170 4 372 220 / 111
180 4 380 225 / 121
190 4 310 172 / 103
160 6 378 224 / 108
170 6 379 225 / 118
180 6 383 235 / 123
190 6 333 192 / 108
160 8 383 229 / 105
170 8 395 232 / 118
180 8 402 242 / 126
190 8 352 202 / 107
160 10 382 225 / 102
170 10 384 227 / 95
180 10 387 239 / 109
190 10 320 183 / 89
Mikrostrukturna analiza je ob merjenju mehanskih lastnosti ključnega pomena za karakterizacijo uspešnosti izdelka. Hkrati se z mikrostrukturnimi analizami lahko opazuje vpliv izvedbe toplotnih obdelav, kar se posledično odraža na mehanskih lastnostih.35, 36 Navedeno je prikazano na sliki 8,
18
kjer je ob povečevanju temperature raztopnega žarjenja pri enakem času razvidna večja rast zrn.37 Za raziskovani primer na zlitini EN AW-2011 je povečevanje temperature pri raztopnem žarjenju za 5 °C pokazalo postopno povečevanje povprečne velikosti kristalnega zrna za približno 10 μm, z izjemo pri temperaturi 530 °C, kjer so zabeležili rahlo zmanjšanje zrnatosti.25 Dodatek silicija ali skandija (Sc) pomaga pri zmanjševanju velikosti kristalnega zrna.38 Liang in sodelavci39 pa za zlitino EN AW-2024, ki ima podobno kemijsko sestavo kot EN AW-2011, ugotavljajo, da je kljub povečanju temperature homogenizacije nad 530 °C zelo težko raztopiti vse tvorjene železove faze pri procesu litja, kar ima vpliv na uspešnost učinka staranja.
Slika 8: Mikrostrukturni posnetki raztopno žarjenih vzorcev 2 h pri temperaturah: a) 515 °C; b) 520 °C; c) 525 °C; d) 530 °C.40
2.5.1 Toplotna stanja
Za uvrščanje Al-zlitin po toplotnih stanjih in lažje določanje mehanskih lastnosti je bil ustvarjen sistem nomenklature s črkami in številkami po Mednarodnem sistemu za označevanje gnetnih zlitin; International designation systems for wrought alloys
(
IADS). Sistem ločeno obravnavna deformacijsko utrjevalne in toplotno utrjevalne zlitine. Razdelitev je prikazana v tabeli 6.Zlitina je označena kot proizvedena s črko F in žarjena s črko O. Zlitine, ki so deformacijsko utrjevane, so označene s H, s prvo številko je označena sekundarna obdelava: 1 – samo deformacijsko utrjeno; 2 – deformacijsko utrjeno in delno žarjeno; 3 – deformacijsko utrjeno in stabilizirano. Druga številka predstavlja trdnostna stanja oz. stopnjo dosežene trdote.
Toplotno utrjevalne zlitine se označujejo s črko W kot oznako za raztopno žarjenje. Oznaka predstavlja nestabilno stanje, ko se zlitina spontano stara pri sobni temperaturi po raztopnem žarenju. Toplotno obdelane zlitine so označene s črko T, ki ji sledi številka. Pod vsako številko je predpisano zaporedje operacij, bodisi toplotna obdelava ali preoblikovanje.
19
Tabela 6: Toplotna stanja za Al-zlitine z izvedbo različnih toplotnih obdelav41
Prva črka – osnovna obdelava
oz. stanje
Prva številka –
sekundarna obdelava, ki vpliva na lastnosti
Druga številka
F kot
proizvedeno O žarjeno H deformacijsko
utrjeno
1 samo deformacijsko utrjeno 2 ¼ trdo 2 deformacijsko utrjeno in delno
žarjeno 4 ½ trdo
3 deformacijsko utrjeno in stabilizirano 6 ¾ trdo 8 trdo 9 zelo trdo W raztopno
žarjeno T toplotno
obdelano za dosego stabilnega stanja
1 ohlajeno iz temperature predelave in naravno starano
ohlajeno iz temperature predelave, hladno preoblikovano, naravno starano
raztopno žarjeno, hladno preoblikovano, naravno starano raztopno žarjeno in naravno starano
ohlajeno iz temperature predelave in umetno starano raztopno žarjeno, umetno starano
raztopno žarjeno in prestarano oz. stabilizirano
raztopno žarjeno, hladno preoblikovano in umetno starano raztopno žarjeno, umetno starano in hladno deformirano
ohlajeno iz temperature predelave, hladno deformirano in umetno starano
2 3 4 5 6 7 8 9 10
